De oorsprong van digitale meervoudige toegang

Code Division Multiple Access (CDMA) is een digitale cellulaire technologie waarmee meerdere gebruikers dezelfde frequentieband tegelijkertijd kunnen delen. Het heeft een belangrijke rol gespeeld in de ontwikkeling van moderne telecommunicatie, met een efficiënt spectrumgebruik en verbeterde gesprekskwaliteit. In tegenstelling tot eerdere analoge systemen die elk gesprek een speciale frequentie of tijdslot toegewezen, stelt CDMA alle gebruikers in staat om tegelijkertijd over hetzelfde brede frequentiebereik te verzenden. Deze kerncapaciteit maakte CDMA de basis van 3G-netwerken wereldwijd en een belangrijke stap steen naar moderne 4G en 5G-architecturen. Het begrijpen van CDMA is essentieel voor iedereen die werkt in telecommunicatie, netwerktechniek of draadloos systeemontwerp, omdat de spread-spectrum principes ervan blijven bestaan in vrijwel elke geavanceerde draadloze standaard die vandaag in gebruik is.

Wat is CDMA Technologie?

CDMA is een kanaaltoegangsmethode die wordt gebruikt door verschillende radiocommunicatietechnologieën. In tegenstelling tot de traditionele frequentiedeling met meerdere toegangen (FDMA) of tijdverdeling met meerdere toegangen (TDMA), kent CDMA unieke codes toe aan elke gebruiker, waardoor meerdere gesprekken kunnen plaatsvinden over dezelfde bandbreedte zonder interferentie. In een FDMA-systeem krijgt elke gebruiker een speciale schijf frequentiespectrum. In TDMA, maken gebruikers beurtelings verzenden in aparte tijdslots. CDMA gooit beide benaderingen weg: alle gebruikers zenden continu over de gehele beschikbare bandbreedte, en de ontvanger maakt gebruik van wiskundige correlatie om het beoogde signaal uit het geluid van alle andere gelijktijdige transmissies te halen.

De theoretische basis van CDMA dateert uit de jaren 1940 en het werk van actrice en uitvinder Hedy Lamarr en componist George Antheil, die een frequentie-hopping spread-spectrum techniek patenteerde voor het leiden van torpedo's. Dat patent legde het basiswerk voor de spread-spectrum ideeën die later zouden uitgroeien tot CDMA. In de jaren 1980 en 1990, bedrijven zoals Qualcomm gecommercialiseerde CDMA voor cellulaire netwerken, wat leidde tot de IS-95 standaard (vaak cdmaOne genoemd) en uiteindelijk tot CDMA2000 en EV-DO voor 3G data services. Vandaag de fundamentele wiskundige principes van CDMA live op in 3G, 4G LTE en 5G NR, hoewel deze nieuwere systemen gebruik maken van orthogonale frequentie verdeling multiple access (OFDMA) als hun primaire luchtinterface.

Hoe werkt CDMA?

In CDMA-systemen krijgt elke gebruiker een unieke code, een spreading code genaamd. Deze code verspreidt het signaal van de gebruiker’s over de gehele bandbreedte. Aan het einde van de ontvanger’s wordt dezelfde code gebruikt om het specifieke signaal uit te pakken, waardoor andere signalen die dezelfde frequentie delen effectief worden gefilterd. Dit proces staat bekend als spread spectrum technologie. De verspreidingscode is een zorgvuldig ontworpen reeks bits (chips) die op een veel hoger tempo dan de oorspronkelijke gegevens draait. Het vermenigvuldigen van het oorspronkelijke datasignaal door deze high-rate chip sequentie verspreidt de signaalenergie over een brede bandbreedte, waardoor het lijkt als een laag vermogensruis voor elke ontvanger die de code niet kent.

Spectrumfundamentalen verspreiden

Direct-sequence spread spectrum (DSSS) is the variant of spread spectrum most commonly associated with CDMA. In DSSS, the narrowband user signal is multiplied by a pseudo-random noise (PN) code that has a chip rate far exceeding the data rate. This multiplication broadens the signal bandwidth by a factor equal to the processing gain. The processing gain is the ratio of the chip rate to the data rate—for example, if the chip rate is 1.2288 Mcps (megachips per second) and the data rate is 9.6 kbps, the processing gain is approximately 128 (or 21 dB). This gain is what allows CDMA receivers to recover weak signals even when multiple strong interferers occupy the same frequency band.

Walsh Codes en Pseudo-Random Geluidseffecten

De eerste laag gebruikt Walsh functies (ook Hadamard codes genoemd) om de orthogonaliteit tussen gebruikers binnen dezelfde cel te garanderen. Walsh codes zijn wiskundig ontworpen zodat de kruiscorrelatie tussen twee verschillende codes nul is, wat betekent dat een ontvanger perfect gelijktijdige transmissies van verschillende gebruikers in dezelfde cel kan scheiden zolang de codes gesynchroniseerd blijven. De tweede laag gebruikt een lange pseudo-random ruis (PN) volgorde om signalen van verschillende basisstations te onderscheiden en extra beveiliging te bieden. De PN sequentie is uniek voor elke basisstation sector en wordt gebruikt om de verzonden gegevens te vervormen, waardoor het uiterst moeilijk is voor een afluisteraar om het signaal te demoduleren zonder de code te kennen.

Concordantietabel en signaalherstel

Bij de ontvanger wordt het binnenkomende breedbandsignaal vermenigvuldigd met de gesynchroniseerde replica van de verspreidingscode. Omdat de codereeks orthogonaal is (of bijna zo) voor alle andere codes in gebruik, stort de vermenigvuldiging de gewenste gebruiker’s signaal terug in een smalbanddatastroom terwijl de signalen van andere gebruikers worden achtergelaten als breedbandruis. Een eenvoudig bandpassfilter herstelt dan de oorspronkelijke databits. Dit proces, genaamd ontspreiding, werkt omdat de ontvanger de exacte timing en codevolgorde van de beoogde zender kent. Nauwkeurige timingsynchronisatie is cruciaal— zelfs een kleine offset vermindert de correlatiewinst en kan bitfouten veroorzaken. CDMA basisstations en mobiele apparaten gebruiken pilotkanalen en continue timinglussen om de synchronisatie te handhaven.

Belangrijkste kenmerken van CDMA

CDMA biedt verschillende voordelen ten opzichte van eerdere multi-access technieken, daarom werd gekozen als de lucht interface voor enkele van de meest gebruikte 3G-normen in de wereld.

Spectrumefficiëntie en capaciteit

Omdat alle gebruikers dezelfde frequentieband tegelijkertijd delen, kan CDMA meer gebruikers per bandbreedte-eenheid ondersteunen dan FDMA of TDMA onder typische laadomstandigheden. De zachte capaciteit van CDMA betekent dat het toevoegen van een gebruiker slechts licht verhoogt de geluidsvloer voor iedereen, in plaats van het verbruik van een speciale sleuf of frequentie. Dit maakt het mogelijk operators om een groter aantal abonnees met dezelfde spectrumtoewijzing te bedienen. In CDMA2000 1X netwerken, bijvoorbeeld, een enkele 1,25 MHz-carrier kan meer dan 30 gelijktijdige spraakgesprekken met behulp van geavanceerde vocoders ondersteunen, in vergelijking met ongeveer 8 tot 10 oproepen in een vergelijkbaar TDMA-systeem op dezelfde bandbreedte. Deze efficiëntie was een primaire driver voor exploitanten in Noord-Amerika, Azië en Latijns-Amerika om op CDMA gebaseerde 3G-normen aan te nemen.

Beveiliging en privacy

Unieke codes maken afluisteren veel moeilijker dan in analoge of vroege TDMA-systemen. Een passieve luisteraar die niet weet dat de verspreidingscode alleen een laag vermogen geluid-achtig signaal ziet. Zonder de juiste PN-sequentie en timing, is het berekenend onmogelijk om de originele gegevens te herstellen. Deze inherente beveiliging is een reden dat CDMA is gebruikt in militaire communicatie decennia. Commercial 3G CDMA-systemen toegevoegd encryptie lagen op de top van de spread-spectrum codering om te voldoen aan de regelgeving eisen voor abonnee privacy en gegevensintegriteit.

Soft Handoff en Power Control

CDMA introduceert het concept van zachte handoff (ook wel soft handover genoemd), waarbij een mobiel apparaat tegelijkertijd communiceert met twee of meer basisstations tijdens een overgang tussen cellen. De mobiele combineert de signalen van meerdere basisstations met maximale ratio combineren, verbeteren van signaalkwaliteit en elimineren van de abrupte call druppels die optreden in harde handoff systemen. Deze functie verbetert de betrouwbaarheid van de oproep en de spraakkwaliteit aan celranden. Power control is een ander essentieel kenmerk van CDMA. Omdat alle gebruikers dezelfde frequentie delen, kan een enkele mobiele transmissie op te hoge spanning alle andere gebruikers in de cel (het bijna-verre probleem) verdrinken. CDMA-systemen implementeren snel gesloten stroomregeling die elke mobiele’s zendvermogen tot 800 keer per seconde, waarbij elk signaal op het minimumniveau wordt gehouden dat nodig is voor een betrouwbare ontvangst.

CDMA vs. Andere Meerdere Toegang Technologieën

Inzicht in hoe CDMA zich verhoudt tot andere kanaaltoegangsmethoden verduidelijkt waarom het werd goedgekeurd voor 3G en hoe de beperkingen de overgang naar nieuwere technologieën gedreven.

CDMA vs. FDMA

Frequentieverdeling meerdere toegang verdeelt het beschikbare spectrum in smalle kanalen, elk gewijd aan een enkele gebruiker. FDMA is eenvoudig en werd gebruikt in analoge cellulaire systemen zoals AMPS en TACS. Echter, het lijdt aan slechte spectrale efficiëntie omdat bewakers banden tussen kanalen afvalspectrum, en een kanaal kan niet worden hergebruikt door andere gebruikers zelfs wanneer het inactief is. CDMA elimineert bewakersbanden volledig en maakt het mogelijk stationaire capaciteit te worden gebruikt door andere gebruikers, waardoor het dramatisch efficiënter voor barstige dataverkeer en spraakgesprekken met natuurlijke stiltes.

CDMA vs. TDMA

Tijdsverdeling meerdere toegang verdeelt elk frequentiekanaal in tijdslots, waarbij elke gebruiker een terugkerende sleuf toegewezen. GSM, de dominante 2G standaard, gebruikte TDMA. TDMA verbetert spectrale efficiëntie over FDMA maar vereist nog steeds bewakingstijden tussen slots en is gevoelig voor timingfouten, vooral bij hoge snelheden. CDMA’s continue transmissie vermijdt de overhead van slotgrenzen en bewakertijden. Echter, TDMA-systemen zijn over het algemeen eenvoudiger te implementeren en niet de strakke machtscontrole die CDMA vereist. Deze complexiteit trade-off was een reden sommige exploitanten kozen GSM over CDMA voor 2G-netwerken.

CDMA vs. OFDMA

De orthogonale frequentieverdeling verdeelt de bandbreedte in een groot aantal nauw vervaagde subcarriers. OFDMA is de basis van 4G LTE en 5G NR. OFDMA biedt nog hogere spectrale efficiëntie dan CDMA en is robuuster voor multipathische vervagen zonder een complexe RAKE-ontvanger nodig te hebben. OFDMA maakt ook frequentie-domeinplanning mogelijk, waar de scheduler verschillende subcarriers kan toewijzen aan verschillende gebruikers op basis van real-time kanaalcondities. CDMA’s breedband aard betekent dat frequentie-selectieve vervagen invloed heeft op het gehele signaal in plaats van individuele subcarriers. CDMA compenseert met RAKE ontvangers die multipath componenten combineren, maar OFDMA’s benadering is over het algemeen flexibeler voor high-speed data. Daarom is 4G en 5G van de cdma naar OFDMA voor de downlink verhuist, hoewel cdma principes nog steeds in de uplink van sommige systemen en in de fysieke laag van 3G-netwerken.

Toepassingen in de moderne telecommunicatie

CDMA-technologie is op grote schaal toegepast in verschillende communicatiesystemen, vooral in mobiele netwerken. Het was de basis voor 3G-netwerken in veel landen en blijft nieuwere technologieën beïnvloeden door middel van haar kernconcepten van verspreiding spectrum en code-deling.

3G-netwerken en CDMA2000

Grote telecommunicatieproviders gebruikten CDMA voor hun 3G-netwerken, zoals CDMA2000 en EV-DO-normen. Deze netwerken leverden snellere datasnelheden en betere spraakkwaliteit in vergelijking met eerdere 2G-systemen. CDMA2000 1X introduceerde datasnelheden tot 153 kbps, terwijl EV-DO (Evolution-Data Geoptimaliseerd) pieksnelheden naar 2,4 Mbps en later naar 3.1 Mbps met EV-DO Rev A en tot 14.7 Mbps met EV-DO Rev B. CDMA2000 netwerken werden uitgebreid ingezet door exploitanten zoals Verizon Wireless, Sprint, KDDI, SK Telecom en China Unicom, die honderden miljoenen abonnees op hun pieken bedienen. De achterwaartse compatibiliteit van CDMA2000 met IS-95 maakte een soepele migratie mogelijk van 2G naar 3G, waardoor de investeringen van exploitanten in basisstationapparatuur en spectrum beschermd werden.

Satellietcommunicatie

CDMA wordt ook gebruikt in satellietcommunicatiesystemen, waardoor betrouwbare en veilige datatransmissie over lange afstanden mogelijk is. De robuustheid ervan tegen interferentie maakt het geschikt voor dergelijke toepassingen. Satellietverbindingen worden geconfronteerd met uitdagingen zoals langdurige propagatievertragingen, Dopplerverschuivingen en beperkte energiebudgetten. CDMA’s spread-spectrum aard biedt inherente weerstand tegen storing en interferentie van andere satellieten of terrestrische bronnen. Systemen zoals Globalstar gebruiken CDMA-gebaseerde luchtinterfaces (gebaseerd op IS-95) voor hun satelliettelefoondiensten. De Soft Handoff-functie van CDMA is bijzonder voordelig in satellietsystemen omdat een mobiele terminal signalen van meerdere satellieten tegelijkertijd kan combineren, waardoor de dekking en uitval van signalen tijdens satellietoverdrachts.

Wereldwijd positiebepalingssysteem (GPS)

Het Global Positioning System, dat wordt geëxploiteerd door de United States Space Force, is gebaseerd op CDMA-principes om alle GPS-satellieten in staat te stellen om op dezelfde twee frequenties te zenden: L1 (1575.42 MHz) en L2 (1227.60 MHz). Elke satelliet zendt een unieke pseudo-random noise (PRN) code uit die orthogonaal is aan de codes die door alle andere satellieten worden gebruikt. Een GPS-ontvanger genereert een replica van elke satelliet’ de PRN code en correleert het met het ontvangen signaal om te bepalen welke satellieten zichtbaar zijn en om de tijd van aankomst van elk signaal te meten. Door het combineren van tijd-van-vlucht metingen van ten minste vier satellieten, combineert de ontvanger zijn positie tot binnen meters (of centimeters met differentiële correcties). GPS is een van de meest verspreide toepassingen van CDMA technologie, met miljarden ontvangers die wereldwijd worden gebruikt in smartphones, voertuigen, vliegtuigen en industriële apparatuur.

Militaire en beveiligde communicatie

CDMA is afkomstig van militair onderzoek naar veilige, jambestendige communicatie. De Amerikaanse militaire’s Joint Tactical Information Distribution System (JTIDS) en het meer recente Multifunctionele Informatie Distributie Systeem (MIDS) maken gebruik van CDMA-gebaseerde spread-spectrum technieken om veilige, hoge capaciteit dataverbindingen voor vliegtuigen, schepen en grondkrachten te bieden. De anti-jam eigenschappen van CDMA maken het uiterst moeilijk voor tegenstanders om te detecteren, onderscheppen, of jam transmissies. Bovendien, de lage vermogen spectrale dichtheid van spread-spectrum signalen betekent dat CDMA-transmissies kunnen worden verborgen onder de geluidsvloer (laag waarschijnlijkheid van onderschepping, of LPI), waardoor ze bijna onmogelijk te detecteren met conventionele radioontvangers.

Draadloze lokale lus en vaste draadloos

In regio's waar de bekabelde telefooninfrastructuur schaars of duur was om te implementeren, boden CDMA-gebaseerde draadloze aansluitnetten (WLL) een kosteneffectief alternatief voor spraak- en datadiensten. Exploitanten gebruikten basisstations van CDMA met antennes om vaste of nomadische abonnees te bedienen over afstanden van verschillende kilometers. WLL-systemen op basis van CDMA boden een snelle inzet, lagere kapitaalkosten en het vermogen om spectrum te delen met mobiele diensten. Terwijl glasvezel en DSL WLL grotendeels hebben vervangen in ontwikkelde markten, blijven op CDMA gebaseerde vaste draadloze systemen in gebruik in landelijke en afgelegen gebieden van ontwikkelingslanden.

Beperkingen en achteruitgang van CDMA

Ondanks de vele sterke punten, heeft CDMA verschillende inherente beperkingen die hebben bijgedragen aan de geleidelijke vervanging door OFDMA-gebaseerde systemen in 4G en 5G. Het bijna-verre probleem vereist zeer strakke machtscontrole, waardoor complexiteit aan zowel het basisstation als het mobiele apparaat toe te voegen. CDMA’s capaciteit is ook interferentie-beperkt: naarmate het aantal actieve gebruikers toeneemt, stijgt de geluidsvloer, en het systeem kan ervaren een fenomeen genaamd “ cel ademhaling,” waar de effectieve dekking gebied krimpt onder zware belasting. Bovendien, CDMA is minder efficiënt dan OFDMA voor high-bandbreedte data toepassingen, omdat het niet gemakkelijk kan benutten van de frequentie-domein planning die OFDMA biedt. Het intellectuele eigendom landschap rond CDMA was ook complex, met Qualcomm het bezit van vele basisoctrooien, die leiden tot hogere royalty's voor fabrikanten en exploitanten van apparatuur vergeleken met GSM en LTE. Deze factoren, gecombineerd met de wereldwijde dynamiek achter GSM en LTE, leidde de meeste exploitanten van de cdma naar migreren van CDMA en 5G.

De Legacy en de toekomst van CDMA Technologie

Hoewel nieuwere technologieën zoals LTE en 5G op veel gebieden cdma vervangen, blijft begrip van CDMA essentieel voor het begrijpen van de evolutie van draadloze communicatie. Sommige legacy systemen werken nog steeds met behulp van CDMA, en de principes ervan beïnvloeden moderne netwerkontwerpen. In de Verenigde Staten, de meeste grote vervoerders volledig gesloten hun CDMA-netwerken tussen 2020 en 2023. Verizon, bijvoorbeeld, beëindigde haar CDMA 1X en EV-DO-netwerken op 31 december 2022, terwijl T-Mobile (die opgenomen Sprint’s CDMA-netwerk) voltooid zijn CDMA-uitschakeling in maart 2022. Echter, CDMA-gebaseerde 3G-netwerken blijven werken in delen van Azië, Afrika en Latijns-Amerika waar migratie naar LTE of 5G is nog steeds in ontwikkeling.

Belangrijker is dat de fundamentele concepten van CDMA nog steeds in moderne systemen voorkomen. In 5G NR maakt de uplink gebruik van een variant van code divisie genaamd DFT-s-OFDM (Discrete Fourier Transform spread OFDM), dat een vorm is van single-carrier frequentiedeling multiple access (SC-FDMA) die CDMA’ deelt; wenselijke eigenschap van lage piek-tot-gemiddelde vermogensratio. Wideband CDMA (WCDMA), de luchtinterface voor UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) 3G netwerken, legde de basis voor de 5 MHz-bandbreedtes die standaard werden in 4G en 5G. Het gebruik van orthogonale codes voor toegang tot multi-user ook direct parallel Walsh codegebruik in CDMA.

Vooruitblikkend, CDMA-geïnspireerde technieken worden onderzocht voor niet-terrestrale netwerken (NTN) en satelliet Internet sterrenbeelden, waar de mogelijkheid om spectrum te delen over veel gebruikers met een lage vermogensdichtheid is zeer voordelig. Onderzoekers onderzoeken ook code-domein multiplexing voor massale machine-type communicatie (mMTC) in 5G en daarbuiten, waar duizenden low-power IoT apparaten per cel moeten kleine data pakketten tegelijkertijd verzenden. In deze scenario's, CDMA’s vermogen om ongecoördineerde, sporadische transmissies zonder gecentraliseerde planning biedt aanzienlijke voordelen over OFDMA.

Conclusie

De CDMA-technologie heeft mobiele communicatie revolutionair veranderd door meerdere gebruikers in staat te stellen hetzelfde spectrum efficiënt te delen. De toepassingen in 3G-netwerken, satellietcommunicatie en GPS benadrukken de veelzijdigheid en het belang ervan in de geschiedenis van de telecommunicatie. Als technologische vooruitgang, blijven de basisconcepten van CDMA de ontwikkeling van nieuwe draadloze standaarden informeren. De spread-spectrumprincipes, orthogonale codering en zachte handoff technieken die CDMA succesvol gemaakt zijn diep ingebed in de structuur van moderne draadloze engineering. Netwerkeningenieurs, RF-planners en telecommunicatiestudenten die de basisprincipes van CDMA beheersen, krijgen een dieper inzicht in waarom 4G en 5G systemen zijn ontworpen zoals ze zijn, en hoe toekomstige netwerken kunnen evolueren om de groeiende vraag naar connectiviteit, spectrumefficiëntie en energie-efficiëntie te verwerken.

Voor verdere lezing van het CDMA en de impact ervan op draadloze communicatie zorgen de volgende bronnen voor gezaghebbende technische diepte: de Qualcomm CDMA-technologie-overzicht, de IEEE-conferentieprocedure inzake spread spectrumsystemen[, het boek “CDMA: Principes of Spectrum Spectrum Communication” door Andrew J. Viterbi, en een GPS SPS Performance Standard[] document waarin de op CDMA gebaseerde signaalstructuur van GPS wordt beschreven. Deze referenties bieden zowel een historisch perspectief als de wiskundige rigor die nodig is voor serieuze werkzaamheden in het ontwerp van een draadloos systeem.